長江中下游水稻育種基地選址的評價研究

馬曉春 張俊江 高前寶 王凱

摘要?[目的] 探求育種基地選址的評價方法，為育種基地的選址提供參考。[方法]采用2011—2015年國家南方稻區(qū)長江中下游中秈遲熟區(qū)域試驗產(chǎn)量數(shù)據(jù)，比較分析13個區(qū)試點(diǎn)代表性，以及試點(diǎn)對品種的判別力。[結(jié)果]不同試點(diǎn)間產(chǎn)量差異較大。其中，江蘇鹽城、江蘇揚(yáng)州、安徽蕪湖和河南信陽4個試點(diǎn)產(chǎn)量表現(xiàn)與整體產(chǎn)量表現(xiàn)的相關(guān)性最強(qiáng)，說明這4個試點(diǎn)具有較強(qiáng)的區(qū)域代表性。AMMI分析表明，福建建陽、湖北宜昌、江蘇鹽城和浙江富陽4個試點(diǎn)的穩(wěn)定性參數(shù)Dj最大，分別為34.72、31.91、31.42和30.89，說明這4個試點(diǎn)對品種的判別力最強(qiáng)。結(jié)合試點(diǎn)代表性和試點(diǎn)對品種判別力分析，江蘇鹽城、湖北宜昌、安徽合肥和河南信陽4個試點(diǎn)不僅具較強(qiáng)的試點(diǎn)代表性，同時其對品種的判別力也較強(qiáng)。[結(jié)論]江蘇鹽城、湖北宜昌、安徽合肥和河南信陽4個試點(diǎn)所在的區(qū)域比較適合建設(shè)育種基地。

關(guān)鍵詞?水稻;育種基地;試點(diǎn)代表性;判別力;AMMI模型

中圖分類號?S511文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）02-0055-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.015

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Evaluation on Sites Selection for Rice Breeding Base in Middle and Lower Reaches of Yangtze River

MA Xiao-chun，ZHANG Jun-jiang，GAO Qian-bao et al?（Anhui Longping High-Tech（Xinqiao） Seed Industry Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230088）

Abstract?[Objective]To find out a method for site selection of rice breeding base，and to provide references for the breeding base selection.[Method]The yield data were from the 13 national region trial locations of Medium-Indica rice late cropping group in Middle and Lower Reaches of Yangtze River during 2011-2015，which were used to evaluate their location representation and discriminating ability.[Result]There were great differences in yield among different locations.Among them，Yancheng in Jiangsu Province，Yangzhou in Jiangsu Province，Wuhu in Anhui Province and Xinyang in Henan Province showed the relatively close correlation between yield performance and overall yield performance，indicating that these four sites had relatively strong regional representation for rice breeding.AMMI model analysis revealed that Jianyang in Fujian Province，Yichang in Hubei Province，Yancheng in Jiangsu Province and Fuyang in Zhejiang Province showed the highest stability parameter （Dj），which were 34.72，31.91，31.42 and 30.89，respectively，which indicated that these four sites had better discriminating ability.Considering both location representation and discriminating ability，Yancheng in Jiangsu Province，Yichang in Hubei Province，Hefei in Anhui Province and Xinyang in Henan Province showed relatively stronger location representation and discrimination ability.[Conclusion]Yancheng in Jiangsu Province，Yichang in Hubei Province，Hefei in Anhui Province and Xinyang in Henan Province were the ideal locations for rice breeding base.

Key words?Rice;Breeding base;Location representation;Discriminating ability;AMMI model

水稻育種基地的選址直接影響到育種家品種選育的效率[1]。選擇理想的地點(diǎn)建設(shè)育種基地長期以來困擾著育種家和育種單位。目前，關(guān)于育種基地選址的研究鮮有報道，因此探索育種基地選址評價方法，篩選出適合作水稻育種基地的地點(diǎn)對提高育種效率有十分重要的意義。育種基地是育種工作的核心，好的育種基地不僅代表同一生態(tài)區(qū)氣候的普遍性[1]，同時還需對品種具有一定程度的判別力。Hamblin等[2]利用所有品種在單點(diǎn)的表現(xiàn)與所有試點(diǎn)整體表現(xiàn)的相關(guān)性來評價試點(diǎn)代表性，并發(fā)現(xiàn)某些試點(diǎn)可以代表并預(yù)測整體表現(xiàn)。另外，關(guān)于試點(diǎn)對品種判別力評價的方法有很多種[3-4]。Brown等[5]利用回歸系法判別試點(diǎn)對品種的判別力，即地點(diǎn)對品種指數(shù)的回歸系數(shù)bj值越大，試點(diǎn)的辨別力越強(qiáng)。樊龍江等[4]通過比較變異系數(shù)法、回歸系數(shù)法以及AMMI模型3種估算方法評價試點(diǎn)對品種判別力的差異，得出AMMI模型較其他2種方法更科學(xué)準(zhǔn)確。AMMI模型最早由Guach[6]提出，主要用于分析作物基因型與環(huán)境的互作，該模型結(jié)合主成分分析與方差分析，將乘積形式的交互作用加入常規(guī)的基因型與環(huán)境的加性模型中，不僅能估計交互作用的特點(diǎn)與形態(tài)，還能應(yīng)用穩(wěn)定性參數(shù)評價試點(diǎn)對品種鑒別力的大小[7]。目前，關(guān)于AMMI模型用于評價試點(diǎn)對品種判別力的研究已有大量報道[8-15]。一個好的育種基地不僅需要較強(qiáng)的品種判別能力，還需要具有較強(qiáng)的區(qū)域代表性。將試點(diǎn)判別力與代表性分析結(jié)合起來用于評價育種基地的選址，以提高育種效率還鮮有報道。鑒于此，筆者采用2011—2015年國家南方稻區(qū)長江中下游中秈遲熟組區(qū)域試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合試點(diǎn)代表性及判別力分析，對國家區(qū)域試驗試點(diǎn)所在區(qū)域是否合適選址建設(shè)育種基地提供參考。

1?材料與方法

1.1?試驗數(shù)據(jù)來源

選用2011—2015年國家南方稻區(qū)長江中下游中秈遲熟組區(qū)域試驗產(chǎn)量結(jié)果，該組別每年試點(diǎn)數(shù)15個，選取5年內(nèi)相同的試點(diǎn)13個，各試點(diǎn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積不少于13.33 m2。試點(diǎn)分布在8個省份，分別為安徽合肥、安徽黃山、安徽蕪湖、福建建陽、河南信陽、湖北京山、湖北宜昌、湖南懷化、湖南岳陽、江蘇鹽城、江蘇揚(yáng)州、江西九江、浙江富陽（表1）。

2011—2015年國家南方稻區(qū)長江中下游中秈遲熟組區(qū)域試驗參試品種主要為兩系、三系雜交水稻品種。品種數(shù)共計達(dá)412個，其中兩系雜交稻品種326個、三系雜交稻品種86個。各年份參試品種的基本情況見表2。

1.2?數(shù)據(jù)處理與分析?鑒于每年的品種不同，因此在數(shù)據(jù)的分析過程中將2011—2015年數(shù)據(jù)合并分析，不考慮年份。

利用簡單的直線相關(guān)，分析品種各點(diǎn)的產(chǎn)量表現(xiàn)與整體產(chǎn)量表現(xiàn)的相關(guān)性，通過相關(guān)系數(shù)評價試點(diǎn)代表性。

利用AMMI模型分析各試點(diǎn)對品種的判別力，AMMI模型是加性主效應(yīng)和乘積交互作用模型，其模型如下：

yijk=μ+αi+βj+Nn=1λnθinjn+ρij+εijk（1）

式中，yijk是第i品種在環(huán)境j的第k次重復(fù)的觀察值;μ是總的產(chǎn)量平均值;αi是第i基因型與總平均的離差（基因型主效應(yīng)）;βj是第

j環(huán)境與總平均的離差（環(huán)境主效應(yīng)）;λn是第n個交互效應(yīng)主成分軸（IPCA）的差異值;θin是第n軸的基因型特征向量值;jn是第n軸的環(huán)境特征向量值;ρij是提取N個IPCA軸后留下的殘差;εijk是試驗誤差。

試點(diǎn)對品種判別力的評價參數(shù)就是IPCA在k維空間中試點(diǎn)離原點(diǎn)的距離Dj（即歐氏距離），其計算公式如下：

Dj=ni=1IPCA2j（2）

式中，Dj是試點(diǎn)對品種判別力的評價參數(shù)。Dj值越大，基因型在環(huán)境中表現(xiàn)出來的遺傳差異越大，越有利于充分發(fā)揮基因型的特性，試點(diǎn)對品種的判別力也就越強(qiáng)。

主要采用Excel 2016、Sigmaplot 12.0和Genstat 18軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和繪圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?試點(diǎn)及品種

由表1可知，試點(diǎn)數(shù)13個，分布在8個省份，其中安徽省試點(diǎn)較多，有3個;湖北、湖南、江蘇省各有2個試點(diǎn)，福建、河南、江西、浙江各有1個試點(diǎn)。

2011—2015年國家南方稻區(qū)長江中下游中秈遲熟區(qū)域試驗品種的匯總信息見表2。試驗品種主要為兩系和三系雜交稻品種，5年品種總數(shù)達(dá)412個，其中兩系雜交稻品種數(shù)326個，占品種總數(shù)的79.1%，三系雜交稻品種數(shù)86個，占品種總數(shù)20.9%。

2.2?各試點(diǎn)產(chǎn)量水平分析?2011—2015年國家南方稻區(qū)長

江中下游中秈遲熟組品種在各區(qū)試點(diǎn)的產(chǎn)量表現(xiàn)如表3。5年內(nèi)所有品種（412個）在區(qū)試點(diǎn)（13個）的產(chǎn)量水平最大值為12 837.45 kg/hm2，最小值為5 240.70 kg/hm2，其總平均產(chǎn)量為9 244.05 kg/hm2，偏度0.21，峰度0.23。不同試點(diǎn)間產(chǎn)量差異較大，其中湖北京山、湖北宜昌和江蘇鹽城3個試點(diǎn)的產(chǎn)量水平較高，達(dá)9 637.80～10 293.90 kg/hm2;而江西九江、福建建陽和浙江富陽3個試點(diǎn)產(chǎn)量水平較低為8 308.20～8 749.65 kg/hm2。

2.3?各試點(diǎn)代表性分析

各試點(diǎn)產(chǎn)量與區(qū)域整體產(chǎn)量的相關(guān)性見表4。除福建建陽外，各試點(diǎn)產(chǎn)量與區(qū)域整體產(chǎn)量均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系。其中，江蘇鹽城、江蘇揚(yáng)州、安徽蕪湖和河南信陽4個試點(diǎn)的相關(guān)性較好，說明試點(diǎn)代表性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)r依次為0.80、0.80、0.78和0.75;決定系數(shù)r2依次為0.64、0.64、0.60和0.56。湖北京山、江西九江、浙江富陽和福建建陽則表現(xiàn)出較差的相關(guān)性，表明試點(diǎn)代表性較差，相關(guān)系數(shù)r分別為0.44、0.40、0.12和-0.03，決定系數(shù)r2分別為0.19、0.16、0.01和0。

2.4?AMMI模型分析

對412個品種在13個區(qū)試點(diǎn)的產(chǎn)量表現(xiàn)進(jìn)行AMMI分析，結(jié)果見表5。交互效應(yīng)主成分軸（IPCA）顯著性測驗表明，8個IPCA軸均達(dá)極顯著水平，其余的IPCA軸的變異合并為殘差。從表5可以看出，品種（V）、試點(diǎn)（L）、交互作用（V×L）的平方和分別占整個處理平方和的22.46%、26.74%和50.80%，說明交互作用解釋了絕大部分的變異。對交互作用作進(jìn)一步分解分析，IPCA1～I(xiàn)PCA8軸共解釋了91.04%的交互作用。

2.5?區(qū)試點(diǎn)對品種判別能力分析

為了分析各區(qū)試點(diǎn)對品種的判別能力，將試點(diǎn)在8個IPCA軸上的值以及試點(diǎn)穩(wěn)定性參數(shù)Dj列于表6。從表6可以看出，福建建陽、湖北宜昌、江蘇鹽城和浙江富陽Dj值大，說明這4個試點(diǎn)對品種的判別力強(qiáng)。另外，湖南岳陽、安徽蕪湖、江西九江和江蘇揚(yáng)州4個試點(diǎn)Dj值較小，試點(diǎn)對品種的判別力較差。

2.6?結(jié)合代表性和判別力對試點(diǎn)的分類

結(jié)合試點(diǎn)代表性相關(guān)系數(shù)（r）與試點(diǎn)對品種判別力參數(shù)（Dj）繪制二維圖;再以各試點(diǎn)代表性相關(guān)系數(shù)r與試點(diǎn)穩(wěn)定性參數(shù)Dj的平均值作為分界點(diǎn)，將試點(diǎn)分為A、B、C和D共4類（圖1）。其中，A類有4個試點(diǎn)，分別為江蘇鹽城、安徽合肥、湖北宜昌、河南信陽，該類試點(diǎn)代表性以及試點(diǎn)對品種判別力都較強(qiáng)，其所在區(qū)域比較適合選作水稻育種基地，尤其是前3個試點(diǎn)。B類有4個試點(diǎn)，分別為安徽黃山、湖南懷化、安徽蕪湖和江蘇揚(yáng)州，該類試點(diǎn)代表性較強(qiáng)，但對品種的判別力較小。C類有2個試點(diǎn)，分別為湖南岳陽和江西九江，該類試點(diǎn)代表性、以及對品種的判別力都較差，其所在區(qū)域不適合選作水稻育種基地。D類有3個試點(diǎn)，分別為湖北京山、浙江富陽和福建建陽，該類試點(diǎn)代表性較差，但對品種的判別力較強(qiáng)，該類試點(diǎn)比較適合作品種試驗試點(diǎn)。

3?討論

該研究采用了長江中下游稻區(qū)13個國家區(qū)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，試點(diǎn)分布于8省，5年區(qū)試數(shù)據(jù)分析表明不同試點(diǎn)的產(chǎn)量水平差異較大，同時品種間個體的差異也較大，比較適合作數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。從品種的結(jié)構(gòu)來看，品種全部為雜交水稻，而且以兩系雜交稻為主，占品種總數(shù)的79.1%，這表明長江中下游中秈遲熟稻區(qū)育種目標(biāo)主要以兩系雜交稻為主。

張群遠(yuǎn)等[16]指出，試點(diǎn)代表性分為普遍代表性和特殊代表性，前者指一個試點(diǎn)結(jié)果與整個結(jié)果的一致程度，反映了試點(diǎn)環(huán)境對整體環(huán)境的代表程度;相反后者是指試點(diǎn)結(jié)果與整體的不一致程度，反映的是對特殊環(huán)境代表程度。利用試點(diǎn)產(chǎn)量表現(xiàn)與整體產(chǎn)量的相關(guān)性來評價試點(diǎn)的代表性[2]，結(jié)果表明江蘇鹽城和江蘇揚(yáng)州2個試點(diǎn)的普遍代表性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)r值均為0.80;另外，福建建陽試點(diǎn)特殊代表性較強(qiáng)（r=-0.03）。作為品種區(qū)域試驗試點(diǎn)，為了豐富品種的結(jié)果信息，可以通過設(shè)置一些特殊代表性試點(diǎn)提高環(huán)境多樣性，以豐富品種試驗結(jié)果信息[17];但作為育種基地的選址，為提高品種選育效率，應(yīng)盡可能地選擇普遍代表性強(qiáng)的試點(diǎn)。另外，水稻育種基地的選址一般會傾向性地選擇高產(chǎn)的區(qū)域，認(rèn)為高產(chǎn)地域會拉開品種間個體差異;但是高產(chǎn)區(qū)域又不能代表廣大農(nóng)民生產(chǎn)的實際。從該研究結(jié)果顯示，湖北京山的產(chǎn)量最高（10 293.90 kg/hm2），但其試點(diǎn)代表性卻一般（r =0.44）。

試點(diǎn)判別力是試點(diǎn)對品種的區(qū)分能力，試點(diǎn)判別力高，品種間的變異就大，說明試點(diǎn)所代表的環(huán)境條件有利于品種間差異的充分展現(xiàn)。樊龍江等[4]采用不同方法進(jìn)行對比研究，結(jié)果顯示AMMI模型比較適合試點(diǎn)判別力的分析，該方法在糜子、甘蔗、西瓜、水稻等作物中均有報道[7-11]。該研究采用AMMI模型分析試點(diǎn)判別力，結(jié)果顯示福建建陽、湖北宜昌、江蘇鹽城和浙江富陽試點(diǎn)穩(wěn)定性參數(shù)Dj值較大（30.89～34.72）、對品種的判別力最強(qiáng)，這些試點(diǎn)較適合選作為水稻品種區(qū)域試驗試點(diǎn)。

育種基地的選址應(yīng)有助于提高品種選育的效率，需要具有較強(qiáng)的普遍代表性以及對品種較強(qiáng)的判別力。結(jié)合這2個因素，該研究將13個水稻區(qū)試點(diǎn)分為4類，其中A類試點(diǎn)普遍代表性、對品種的判別力都較強(qiáng)，其所在區(qū)域是長江中下游稻區(qū)育種基地選址的理想位置，分別為江蘇鹽城、湖北宜昌、安徽合肥和河南信陽試點(diǎn)。

4?結(jié)論

基地的選址對提高育種基地品種選育的效率至關(guān)重要，它不僅需要考慮地域代表性，以保證品種的選育符合相應(yīng)區(qū)域的整體結(jié)果，同時還需要關(guān)注地域?qū)ζ贩N的判別力，使品種間的個體差異得以充分體現(xiàn)。該研究結(jié)合長江中下游稻區(qū)國家區(qū)試點(diǎn)的代表性和其對品種的判別力分析，結(jié)果顯示江蘇鹽城、湖北宜昌、安徽合肥和河南信陽試點(diǎn)所在的區(qū)域較適合建設(shè)育種基地。

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